TWI504124B - AC - to - AC power conversion device and its conversion method - Google Patents

Description

交流轉交流電源轉換裝置及其轉換方法

本發明係與電源轉換有關；特別是指一種交流轉交流電源轉換裝置及其轉換方法。

按，傳統的交流轉交流電源轉換裝置通常包含有一整流電路與一輸出電容以及一逆變器，藉以將該整流電路將一交流電源轉換成一直流電源，該輸出電容跨接於該整流電路的輸出端，且該逆變器與輸出電容連接後，再連接至一負載。

該交流轉交流電源轉換裝置在作動時，該交流電源的輸入電壓與輸入電流常會處於相位不同的情況，導致功率因數低且電流總諧波失真嚴重。此外，只有在該整流電路輸出之直流電源的電壓高於該輸出電容的電壓時，才會對該輸出電容進行充能，因此造成輸出電容充能時間短縮，導致該整流電路中之二極體導通時間亦隨之縮短，進而導致導通電流的峰值隨之增大，造成輸入電流波形失真及功率因數降低外，更會導致該逆變器之電流響應速度受到影響，使得最後輸出予負載之交流電能嚴重失真。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種交流轉交流電源轉換裝置及其轉換方法，除了具有高功率因數之優點外，可以同時兼顧快速響應與低漣波輸出電壓之目的。

緣以達成上述目的，本發明提供有一種交流轉 交流電源轉換裝置用以將一交流電源之電能轉換後供予一負載，且包含一整流電路、一主動式功因校正電路、一自動電荷抽放(auto charge pump)電路以及逆變(Power inverter)電路。其中，該整流電路輸入側與該交流電源連接，用以接收該交流電源之電能後，轉換成直流之電能並自其輸出側輸出；另外，該輸出側具有一正電端以及一負電端。該主動式功因校正電路與該整流電路之輸出端連接，用以接收該整流電路輸出之電能並提升功率因數後輸出，且包含有一第一二極體，其負極與該正電端連接；一第一電容，其一端與該第一二極體之正極連接；一電子開關，其一端與該第一電容另一端連接，而該電子開關另一端則與該負電端連接；一第一電感，其一端與該第一二極體之負極以及該正電端之連接處連接，而該第一電感另一端與該第一電容以及該電子開關的連接處連接；一第二二極體，其正極與該電子開關以及該負電端的連接處連接；一第二電感，其一端與該第一二極體之正極以及該第一電容的連接處連接，另一端則與該第二二極體之負極連接。該自動電荷抽放電路與該主動式功因校正電路連接，係用以接收該主動式功因校正電路輸出之電能後調整輸出者，且包含有一第三二極體，其正極與該第二二極體之負極及該第二電感的連接處連接，而負極則與該第二電感、該第一二極體之正極以及該第一電容之連接處電性連接；一第二電容，其一端連接該第三二極體之負極；一第三電感，其一端連接該第一電容之另一端，而另外一端則電性連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處；一等效電容，其一端與該第二電容與該第三電感的連接處連接，而另一端則與該第三二極體之正極、該第二二極體之負極及該第二電感的連接處連接；該逆變電路電性連接該自動電荷抽放電路之等效電容，並與該負載連接，用以接收該自動電荷 抽放電路輸出之電能，並轉換成預定頻率之交流電能後，輸出予該負載。

依據上述構思，該交流轉交流電源轉換裝置的電源轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該整流電路輸出之直流電對該第一電感器充能，且該第一電容之儲能對該第二電感器充能，而該第二電容與該第三電感之儲能對該等效電容充能，使該等效電容之儲能通過該逆變電路對該負載釋能；B.斷開該電子開關以阻斷該整流電路輸出之直流電，使該第一電感之儲能對該第一電容充能，並使該第二電感之儲能對該第三電感、該第二電容與該等效電容充能，使該等效電容之儲能持續通過該逆變電路對該負載釋能；C.該第二電感停止釋能，使該第三二極體截止，以使該第三電感之儲能對該第二電容充能，而使該第二電容之跨壓極性反轉，且該等效電容之儲能持續通過該逆變電路對該負載釋能；D.導通該第三二極體，使該第二電容與該第三電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該等效電容充能，使該第二電容持續通過該逆變電路對該負載釋能。

藉此，透過上述之設計，便可以在電源轉換時提高功率因數，更同時兼顧有快速響應與低漣波輸出電壓外之優點。

10‧‧‧整流電路

12‧‧‧正電端

14‧‧‧負電端

20‧‧‧主動式功因校正電路

30‧‧‧自動電荷抽放電路

40、50‧‧‧逆變電路

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

C1~C5‧‧‧電容

L1~L3‧‧‧電感

D1~D5‧‧‧二極體

SW‧‧‧電子開關

S1~S6‧‧‧切換開關

圖1為本發明較佳實施例之交流轉交流電源轉換裝置的電路圖；圖2A、B至圖5A、B為各步驟之等效電路圖；圖6為本發明另一較佳實施例之交流轉交流電源轉換裝置的電路圖；

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。請參圖1所示，本發明一較佳實施例之交流轉交流電源轉換裝置用以將一交流電源100之電能轉換後，輸出供予一負載200。該交流轉交流電源轉換裝置包含一整流電路10、一主動式功因校正電路20、一自動電荷抽放(auto charge pump)電路30以及一逆變(Power inverter)電路40。其中：該整流電路10於本實施例中為一橋式整流器，且輸入側與該交流電源100連接，用以接收該交流電源100之電能後，轉換成直流之電能並自其輸出側輸出。另外，該輸出側依據供電之極性而區分有一正電端12以及一負電端14。

該主動式功因校正電路20與該整流電路10之輸出端連接，用以接收該整流電路10輸出之電能並提升功率因數後輸出，且包含有二個二極體(第一二極體D1以及第二二極體D2)、一個電容(第一電容C1)、二個電感(第一電感L1以及第二電感L2)以及一電子開關SW。該等元件之連接關係如下所述：該第一二極體D1之負極與該正電端12連接。

該第一電容C1一端與該第一二極體D1之正極連接。

該電子開關SW一端與該第一電容C1另一端連接，而另一端則與該負電端14連接。

該第一電感L1一端與該第一二極體D1之負極以及該正電端12之連接處連接，而該第一電感L1另一端與該第一電容C1以及該電子開關SW的連接處連接。

該第二二極體D2正極與該電子開關SW以及該負電端14的連接處連接。

該第二電感L2一端與該第一二極體D1之正極以及該第一電容C1的連接處連接，另一端則與該第二二極體D2之負極連接。

該自動電荷抽放電路30與該主動式功因校正電路20連接，係用以接收該主動式功因校正電路20輸出之電能後調整輸出，且包含有三個二極體(第三二極體D3、第四二極體D4以及第五二極體D5)、三個電容(第二電容C2、第三電容C3以及第四電容C4)以及一個電感(第三電感L3)。該等元件之連接關係如下所述：該第五二極體D5之正極連接至該第二電感L2、該第一二極體D1之正極以及該第一電容C1之連接處。

該第三二極體D3之正極與該第二二極體D2之負極及該第二電感L2的連接處連接，而負極則與該第五二極體D5之負極連接以透過該第五二極體D5與該第一二極體D1之正極、該第二電感L2以及該第一電容C1之連接處電性連接。

該第二電容C2一端則與該第三二極體D3之負極及該第五二極體D5之負極的連接處連接。

該第四二極體D4之正極與該第三二極體D3 之負極、該第五二極體D5之負極及該第二電容C2之連接處連接。

該第三電感L3一端連接該第一電容C1之另一端，另外一端則與該第四二極體D4之負極連接，而透過該第四二極體D4電性連接至該第三二極體D3之負極、該第五二極體D5之負極及該第二電容C2之連接處。

該第三電容C3與該第四電容C4的一端相連接，且該第三電容C3之另一端與該第二電容C2與該第三電感L3的連接處連接，而該第四電容C4之另一端與該第三二極體D3之正極、該第二二極體D2之負極及該第二電感L2的連接處連接。

該逆變電路40電性連接該自動電荷抽放電路30並與該負載200連接，用以接收該自動電荷抽放電路30輸出之電能，並轉換成預定頻率之交流電能後輸出予該負載200。於本實施例中，該逆變電路40係呈半橋式架構而包含有一第一切換開關S1及一第二切換開關S2，且該第一切換開關S1與該第二切換開關S2的一端相連接。另外，該第一切換開關S1之另一端與該第二電容C2、該第三電容C3與該第三電感L3的連接處連接，而該第二切換開關S2之另一端則與該第四電容C4、該第三二極體D3之正極、該第二二極體D2之負極及該第二電感L2的連接處連接。

於本實施例中，該等電容C1~C4、該等電感L1~L3、輸入電壓、該電子開關SW以及該等切換開關S1、S2之切換頻率以及該負載200之規格如下表所示：

藉此，透過上述結構設計與規格，使用時便將該負載200之一端連接至該第三電容C3及該第四電容C4的連接處，而負載200之另外一端則連接至該第一切換開關S1及該第二切換開關S2的連接處，再利用下述之電源轉換方法，便可達到提高功率因數，同時兼顧快速響應與低漣波輸出電壓之效果，而該方法包含有下列步驟：

A.請參閱圖2A及圖2B，導通該電子開關SW，使該整流電路10輸出之直流電對該第一電感器L1充能，且該第一電容C1之儲能對該第二電感器L2充能，而該第二電容C2與該第三電感L3之儲能對該第三電容C3與該第四電容C4充能，使該第三電容C3與該第四電容C4之儲能通過該逆變電路40對該負載釋能。另外，若交流轉交流電源轉換裝置動作於正半波導通狀態，則第二切換開關S2導通，此時第四電容器C4對該負載200釋能，其等效電路如圖2A所示。若交流轉交流電源轉換裝置動作於負半波 導通狀態，則第一切換開關S1導通，此時則為該第三電容器C3對該負載200釋能，其等效電路如圖2B所示。

B.請參閱圖3A及圖3B，斷開該電子開關SW以阻斷該整流電路10輸出之直流電，使該第一電感L1之儲能對該第一電容C1充能，並使該第二電感L2之儲能對該第三電感L3以及該第二電容C2充能，並透過該第二電容C2與該第三電感L3形成之共振電路，將該第二電感L2之儲能傳導至該第三電容C3與該第四電容C4，使該第三電容C3與該第四電容C4之儲能持續依據正半波或負半波導通狀態通過該逆變電路40對該負載200釋能。

C.請參閱圖4A及圖4B，該第一電感L1停止釋能後，該第一二極體D1截止，而該第二電感L2停止釋能後，該第五二極體D5截止。此時，該第二電容C2與該第三電感L3形成共振電路，以使該第三電感L3之儲能對該第二電容C2充能，而使該第二電容C2之跨壓極性反轉，而該第三電容C3與該第四電容C4之儲能持續依據正半波或負半波導通狀態通過該逆變電路40對該負載200釋能。

D.當該第三電感L3之跨壓大於該第三電容C3與該第四電容C4之總跨壓時，該第三二極體D3導通，使該第二電容C2與該第三電感L3產生與步驟C反向之電壓，並對該第三電容C3與該第四電容C4充能，使該第三電容C3與該第四電容C4之儲能持續依據正半波或負半波導通狀態通過該逆變電路40對該負載200釋能。

另外，每執行一次步驟A至步驟D後，則表示完成一次週期之作動。是以，在該交流轉交流電源轉換裝置持續作動之情況下，於步驟D後，便繼續重複執行步驟A至步驟D，直至該交流轉交流電源轉換裝置停止作動。

藉此，透過上述之該自動電荷抽放電路30之設計，於每次作動週期中，該第二電容C2的跨壓可自動地提供負電位，而導通該第三二極體D3，以使該第三二極體D3導通前後之整體電路結構改變，而可達到快速響應與低漣波輸出電壓之目的，同時可透過該電子開關SW之切換達到提升功率因數之目的。

另外，該第四二極體D4以及該第五二極體D5之設計更可有效地分別防止電路產生回流影響該主動式功因校正電路20以及該自動電荷抽放電路30之作動，進而使得整體電路更加地穩定，藉以提升該交流轉交流電源轉換裝置能源轉換與抑制漣波之效果。當然，在實際實施上，即使不使用該第四二極體D4以及該第五二極體D5仍可達到增進電源轉換效率以及抑制漣波之目的。

再者，本發明之交流轉交流電源轉換裝置除適用於半橋式之逆變電路40外，亦適用於如圖6所示之全橋式之逆變電路50，而與前述不同之處在於全橋式之逆變電路50具有第一切換開關S3至第四切換開關S6，而第三電容C3與第四電容C4則視為一等效電容C5，而連接關係如下：該第一切換開關S3與該第三切換開關S5之一端相連接，而該第二切換開關S4與該第四切換開關S6的一端相連接。另外，該第一切換開關S3以及該第二切換開關S4之另一端與該等效電容C5、該第二電容C2與該第三電感L3的連接處連接，而該第三切換開關S5以及該第四切換開關S6之另一端則與該等效電容C5、該第三二極體D3之正極、該第二二極體D2之負極及該第二電感L2的連接處連接。

藉此，透過上述之結構設計，使用時便將該負 載200之一端連接至該第一切換開關S3與該第三切換開關S5的連接處，而另外一端則連接至該第二切換開關S4與該第四切換開關S6的連接處，並利用前述之電源切換方法，同樣能達到高功率因數、快速響應與低漣波輸出電壓之目的。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，且在電氣特性以及電路動作原理相同之情況下，前述各電路元件之設置位置以及數量、以及舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效電路變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

10‧‧‧整流電路

12‧‧‧正電端

14‧‧‧負電端

20‧‧‧主動式功因校正電路

30‧‧‧自動電荷抽放電路

40‧‧‧逆變電路

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

C1~C4‧‧‧電容

L1~L3‧‧‧電感

D1~D5‧‧‧二極體

SW‧‧‧電子開關

S1、S2‧‧‧切換開關

Claims (12)

1. 一種交流轉交流電源轉換裝置，用以將一交流電源之電能轉換後供予一負載，且包括：一整流電路，其輸入側與該交流電源連接，用以接收該交流電源之電能後，轉換成直流之電能並自其輸出側輸出；另外，該輸出側具有一正電端以及一負電端；一主動式功因校正電路，與該整流電路之輸出端連接，用以接收該整流電路輸出之電能並提升功率因數後輸出，且包含有：一第一二極體，其負極與該正電端連接；一第一電容，其一端與該第一二極體之正極連接；一電子開關，其一端與該第一電容另一端連接，而該電子開關另一端則與該負電端連接；一第一電感，其一端與該第一二極體之負極以及該正電端之連接處連接，而該第一電感另一端與該第一電容以及該電子開關的連接處連接；一第二二極體，其正極與該電子開關以及該負電端的連接處連接；一第二電感，其一端與該第一二極體之正極以及該第一電容的連接處連接，另一端則與該第二二極體之負極連接；一自動電荷抽放(auto charge pump)電路，與該主動式功因校正電路連接，係用以接收該主動式功因校正電路輸出之電能後調整輸出者，且包含有： 一第三二極體，其正極與該第二二極體之負極及該第二電感的連接處連接，而負極則與該第二電感、該第一二極體之正極以及該第一電容之連接處電性連接；一第二電容，其一端連接該第三二極體之負極；一第三電感，其一端連接該第一電容之另一端，而另外一端則電性連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處；一等效電容，其一端與該第二電容與該第三電感的連接處連接，而另一端則與該第三二極體之正極、該第二二極體之負極及該第二電感的連接處連接；一逆變(Power inverter)電路，電性連接該自動電荷抽放電路之等效電容，並與該負載連接，用以接收該自動電荷抽放電路輸出之電能，並轉換成預定頻率之交流電能後，輸出予該負載。
2. 如請求項1所述之交流轉交流電源轉換裝置，其中該等效電容係由一第三電容及一第四電容所組成，且該第三電容與該第四電容的一端相連接，而該逆變電路包含有一第一切換開關及一第二切換開關，且該第一切換開關與該第二切換開關的一端相連接；另外，該第三電容以及該第一切換開關之另一端與該第二電容與該第三電感的連接處連接，而該第四電容以及該第二切換開關之另一端與該第三二極體之正極、該第二二極體之負極及該第二電感的連接處連接；再者，該負載之一端連接至該第三電容及該第四 電容的連接處，而另外一端則連接至該第一切換開關及該第二切換開關的連接處。
3. 如請求項1所述之交流轉交流電源轉換裝置，其中該逆變電路包含有一第一切換開關、一第二切換開關、一第三切換開關以及一第四切換開關；該第一切換開關與該第三切換開關之一端相連接，而該第二切換開關與該第四切換開關的一端相連接；另外，該第一切換開關以及該第二切換開關之另一端與該等效電容、該第二電容與該第三電感的連接處連接，而該第三切換開關以及該第四切換開關之另一端則與該等效電容、該第三二極體之正極、該第二二極體之負極及該第二電感的連接處連接；再者，該負載之一端連接至該第一切換開關與該第三切換開關的連接處，而另外一端則連接至該第二切換開關與該第四切換開關的連接處。
4. 如請求項1所述之交流轉交流電源轉換裝置，其中該自動電荷抽放電路更包含有一第四二極體，其一端連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處，另一端連接至該第三電感，而使該第三電感透過該第四二極體電性連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處。
5. 如請求項4所述之交流轉交流電源轉換裝置，其中該第四二極體之正極連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處，而其負極則連接至該第三電感。
6. 如請求項1所述之交流轉交流電源轉換裝置，其中該自動電荷抽放電路更包含有一第五二極體，其一端連接至該第 二電感、該第一二極體之正極以及該第一電容之連接處，而另一端則連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處，而使該第三二極體之負極以及該第二電容透過該第五二極體與該第二電感、該第一二極體之正極以及該第一電容之連接處電性連接。
7. 如請求項6所述之交流轉交流電源轉換裝置，其中該第五二極體之正極連接至該第二電感、該第一二極體之正極以及該第一電容之連接處，而負極則連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處。
8. 一種如請求項1所述之交流轉交流電源轉換裝置的電源轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該整流電路輸出之直流電對該第一電感器充能，且該第一電容之儲能對該第二電感器充能，而該第二電容與該第三電感之儲能對該等效電容充能，使該等效電容之儲能通過該逆變電路對該負載釋能；B.斷開該電子開關以阻斷該整流電路輸出之直流電，使該第一電感之儲能對該第一電容充能，並使該第二電感之儲能對該第三電感、該第二電容與該等效電容充能，使該等效電容之儲能持續通過該逆變電路對該負載釋能；C.該第二電感停止釋能，以使該第三電感之儲能對該第二電容充能，而使該第二電容之跨壓極性反 轉，且該等效電容之儲能持續通過該逆變電路對該負載釋能；D.導通該第三二極體，使該第二電容與該第三電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該等效電容充能，使該等效電容持續通過該逆變電路對該負載釋能。
9. 如請求項8所述之電源轉換方法，其中，於步驟D後，更包含有一步驟，係重複執行步驟A至步驟D。
10. 如請求項8所述之電源轉換方法，其中，於步驟B之後，該第一電感停止釋能，使該第一二極體截止。
11. 如請求項8所述之電源轉換方法，其中，於步驟B中，該第二電感係透過該第二電容與該第三電感形成之共振電路，將其儲能傳導至該等效電容。
12. 如請求項11所述之電源轉換方法，其中，於步驟C中，該第二電容與該第三電感形成之共振電路後，該第三電感之儲能對該第二電容充能，而使該第二電容之跨壓極性反轉，且當該第三電感之跨壓大於該等效電容之跨壓時，該第三二極體導通，而進入步驟D。